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Java运行时数据区

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会将其管理的内存划分为若干个不同的数据区域，这些区域有各自的用途、创建和销毁的时间，有些区域随虚拟机进程的启动而存在，有些区域则是依赖用户线程的启动和结束来建立和销毁。Java虚拟机所管理的内存包括以下几个运行时数据区域，如图：

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  1. 程序计数器：指向当前线程正在执行的字节码指令。线程私有的。
  2. 虚拟机栈：虚拟机栈是Java执行方法的内存模型。每个方法被执行的时候，都会创建一个栈帧，把栈帧压人栈，当方法正常返回或者抛出未捕获的异常时，栈帧就会出栈。
    1. 栈帧：栈帧存储方法的相关信息，包含局部变量数表、返回值、操作数栈、动态链接
      1. 局部变量表：包含了方法执行过程中的所有变量。局部变量数组所需要的空间在编译期间完成分配，在方法运行期间不会改变局部变量数组的大小。
      2. 返回值：如果有返回值的话，压入调用者栈帧中的操作数栈中，并且把PC的值指向 方法调用指令 后面的一条指令地址。
      3. 操作数栈：操作变量的内存模型。操作数栈的最大深度在编译的时候已经确定（写入方法区code属性的max_stacks项中）。操作数栈的的元素可以是任意Java类型，包括long和double，32位数据占用栈空间为1，64位数据占用2。方法刚开始执行的时候，栈是空的，当方法执行过程中，各种字节码指令往栈中存取数据。
      4. 动态链接：每个栈帧都持有在运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态链接。
    2. 线程私有
  3. 本地方法栈：
    1. 调用本地native的内存模型
    2. 线程独享。

  4. 方法区：用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等数据

    1. 线程共享的
    2. 运行时常量池：

      A、是方法区的一部分 B、存放编译期生成的各种字面量和符号引用 C、Class文件中除了存有类的版本、字段、方法、接口等描述信息，还有一项是常量池，存有这个类的 编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后，存放到方法区的运行时常量池中。

  5. 堆（Heap）：Java对象存储的地方

    1. Java堆是虚拟机管理的内存中最大的一块
    2. Java堆是所有线程共享的区域
    3. 在虚拟机启动时创建
    4. 此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有对象实例都在这里分配内存。存放new生成的对象和数组
    5. Java堆是垃圾收集器管理的内存区域，因此很多时候称为“GC堆”

JMM Java内存模型：

  1. Java的并发采用“共享内存”模型，线程之间通过读写内存的公共状态进行通讯。多个线程之间是不能通过直接传递数据交互的，它们之间交互只能通过共享变量实现。
  2. 主要目的是定义程序中各个变量的访问规则。
  3. Java内存模型规定所有变量都存储在主内存中，每个线程还有自己的工作内存。
    1. 线程的工作内存中保存了被该线程使用到的变量的拷贝（从主内存中拷贝过来），线程对变量的所有操作都必须在工作内存中执行，而不能直接访问主内存中的变量。
    2. 不同线程之间无法直接访问对方工作内存的变量，线程间变量值的传递都要通过主内存来完成。
    3. 主内存主要对应Java堆中实例数据部分。工作内存对应于虚拟机栈中部分区域。

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  1. Java线程之间的通信由内存模型JMM（Java Memory Model）控制。
  • JMM决定一个线程对变量的写入何时对另一个线程可见。
  • 线程之间共享变量存储在主内存中
  • 每个线程有一个私有的本地内存，里面存储了读/写共享变量的副本。
  • JMM通过控制每个线程的本地内存之间的交互，来为程序员提供内存可见性保证。
  1. 可见性、有序性：
  • 当一个共享变量在多个本地内存中有副本时，如果一个本地内存修改了该变量的副本，其他变量应该能够看到修改后的值，此为可见性。
  • 保证线程的有序执行，这个为有序性。（保证线程安全）
  1. 内存间交互操作：
    1. lock（锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为一条线程独占状态。
    2. unlock（解锁）：作用于主内存的变量，把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定。
    3. read（读取）：作用于主内存变量，把主内存的一个变量读取到工作内存中。
    4. load（载入）：作用于工作内存，把read操作读取到工作内存的变量载入到工作内存的变量副本中
    5. use（使用）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的变量值传递给一个执行引擎。
    6. assign（赋值）：作用于工作内存的变量。把执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量。
    7. store（存储）：把工作内存的变量的值传递给主内存
    8. write（写入）：把store操作的值入到主内存的变量中

注意：

  • 不允许read、load、store、write操作之一单独出现
  • 不允许一个线程丢弃assgin操作
  • 不允许一个线程不经过assgin操作，就把工作内存中的值同步到主内存中
  • 一个新的变量只能在主内存中生成
  • 一个变量同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作。但lock操作可以被同一条线程执行多次，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会解锁
  • 如果对一个变量进行lock操作，将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，需要重新执行load或者assgin操作初始化变量的值。
  • 如果一个变量没有被锁定，不允许对其执行unlock操作，也不允许unlock一个被其他线程锁定的变量
  • 对一个变量执行unlock操作之前，需要将该变量同步回主内存中

堆的内存划分：

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Java堆的内存划分如图所示，分别为年轻代、Old Memory（老年代）、Perm（永久代）。其中在Jdk1.8中，永久代被移除，使用MetaSpace代替。

  1. 新生代：
    1. 使用复制清除算法（Copinng算法），原因是年轻代每次GC都要回收大部分对象。新生代里面分成一份较大的Eden空间和两份较小的Survivor空间。每次只使用Eden和其中一块Survivor空间，然后垃圾回收的时候，把存活对象放到未使用的Survivor（划分出from、to）空间中，清空Eden和刚才使用过的Survivor空间。
    2. 分为Eden、Survivor From、Survivor To，比例默认为8：1：1
    3. 内存不足时发生Minor GC
  2. 老年代：
    1. 采用标记-整理算法（mark-compact），原因是老年代每次GC只会回收少部分对象。
  3. Perm：用来存储类的元数据，也就是方法区。
    1. Perm的废除：在jdk1.8中，Perm被替换成MetaSpace，MetaSpace存放在本地内存中。原因是永久代进场内存不够用，或者发生内存泄漏。
    2. MetaSpace（元空间）：元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。
  4. 堆内存的划分在JVM里面的示意图：

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GC垃圾回收：

判断对象是否要回收的方法：可达性分析法

  1. 通过一系列“GC Roots”对象作为起点进行搜索，如果在“GC Roots”和一个对象之间没有可达路径，则称该对象是不可达的。不可达对象不一定会成为可回收对象。进入DEAD状态的线程还可以恢复，GC不会回收它的内存。（把一些对象当做root对象，JVM认为root对象是不可回收的，并且root对象引用的对象也是不可回收的）
  2. 以下对象会被认为是root对象：
    1. 虚拟机栈（栈帧中本地变量表）中引用的对象
    2. 方法区中静态属性引用的对象
    3. 方法区中常量引用的对象
    4. 本地方法栈中Native方法引用的对象
  3. 对象被判定可被回收，需要经历两个阶段：
    1. 第一个阶段是可达性分析，分析该对象是否可达
    2. 第二个阶段是当对象没有重写finalize()方法或者finalize()方法已经被调用过，虚拟机认为该对象不可以被救活，因此回收该对象。（finalize()方法在垃圾回收中的作用是，给该对象一次救活的机会）
  4. 方法区中的垃圾回收：
  5. 常量池中一些常量、符号引用没有被引用，则会被清理出常量池
  6. 无用的类：被判定为无用的类，会被清理出方法区。判定方法如下：
    • 该类的所有实例被回收
    • 加载该类的ClassLoader被回收
    • 该类的Class对象没有被引用

  7. finalize():

    • GC垃圾回收要回收一个对象的时候，调用该对象的finalize()方法。然后在下一次垃圾回收的时候，才去回收这个对象的内存。

    • 可以在该方法里面，指定一些对象在释放前必须执行的操作。

      发现虚拟机频繁full GC时应该怎么办：

      （full GC指的是清理整个堆空间，包括年轻代和永久代）

    • 首先用命令查看触发GC的原因是什么 jstat –gccause 进程id

    • 如果是System.gc()，则看下代码哪里调用了这个方法
    • 如果是heap inspection(内存检查)，可能是哪里执行jmap –histo[:live]命令
    • 如果是GC locker，可能是程序依赖的JNI库的原因

      常见的垃圾回收算法：

  8. Mark-Sweep（标记-清除算法）：

    • 思想：标记清除算法分为两个阶段，标记阶段和清除阶段。标记阶段任务是标记出所有需要回收的对象，清除阶段就是清除被标记对象的空间。
    • 优缺点：实现简单，容易产生内存碎片
  9. Copying（复制清除算法）：
    • 思想：将可用内存划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当进行垃圾回收的时候了，把其中存活对象全部复制到另外一块中，然后把已使用的内存空间一次清空掉。
    • 优缺点：不容易产生内存碎片；可用内存空间少；存活对象多的话，效率低下。
  10. Mark-Compact（标记-整理算法）：
    • 思想：先标记存活对象，然后把存活对象向一边移动，然后清理掉端边界以外的内存。
    • 优缺点：不容易产生内存碎片；内存利用率高；存活对象多并且分散的时候，移动次数多，效率低下

  11. 分代收集算法：（目前大部分JVM的垃圾收集器所采用的算法）：

    思想：把堆分成新生代和老年代。（永久代指的是方法区）

    1. 因为新生代每次垃圾回收都要回收大部分对象，所以新生代采用Copying算法。新生代里面分成一份较大的Eden空间和两份较小的Survivor空间。每次只使用Eden和其中一块Survivor空间，然后垃圾回收的时候，把存活对象放到未使用的Survivor（划分出from、to）空间中，清空Eden和刚才使用过的Survivor空间。
    2. 由于老年代每次只回收少量的对象，因此采用mark-compact算法。
    3. 在堆区外有一个永久代。对永久代的回收主要是无效的类和常量
  12. GC使用时对程序的影响？

垃圾回收会影响程序的性能，Java虚拟机必须要追踪运行程序中的有用对象，然后释放没用对象，这个过程消耗处理器时间

  1. 几种不同的垃圾回收类型：

  • Minor GC：从年轻代（包括Eden、Survivor区）回收内存。

    A、当JVM无法为一个新的对象分配内存的时候，越容易触发Minor GC。所以分配率越高，内存越来越少，越频繁执行Minor GC B、执行Minor GC操作的时候，不会影响到永久代（Tenured）。从永久代到年轻代的引用，被当成GC Roots，从年轻代到老年代的引用在标记阶段直接被忽略掉。

  • Major GC：清理整个老年代，当eden区内存不足时触发。

  • Full GC：清理整个堆空间，包括年轻代和老年代。当老年代内存不足时触发